JP2008092542A - パケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置及び通信パケット処理方法 - Google Patents

パケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置及び通信パケット処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】リングトポロジーイーサネット(イーサネットは登録商標)ネットワークにおいてパケットの無限ループ伝送を防止し得る通信パケット処理装置を提供する。
【解決手段】ネットワークの通信ノードに設置されて通信パケットを送受信するイーサネット送受信装置3と、該通信ノードに設置されて通信パケットを生成又は消費する中央処理装置1と、送受信装置3と中央処理装置1との間に介在し、送受信装置3に受信された通信パケットの宛先MACアドレスと自身のMACアドレスとの比較によって、中央処理装置1へ当該通信パケットを伝達するか否かを決定し、送受信装置3に受信された通信パケットのソースMACアドレスと自身のMACアドレスとの比較によって、当該通信パケットを消滅させるか又は他の通信ノードへ伝送するかを決定する媒体アクセス制御器(MAC)2と、を含んだ構成を特徴とし、パケット無限ループを防止可能とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、全二重通信方式のリングトポロジーイーサネット(イーサネット及びEthernetは登録商標:以下同じ)ネットワーク(ring topology ethernet network)において、通信パケットの無限ループを防止する通信パケット処理装置及びその方法に関する。
工場、発電所などの産業施設で近年多用されている分散制御システムは、高信頼性ネットワークに基づいて、これら分散制御システムのメイン制御器とサブ制御器とを接続している。従って、大規模の高信頼性通信ネットワークが必要で、その重要性も高い。
現在の事務用ネットワークではイーサネット通信技術が幅広く使用されており、当該イーサネット通信技術を産業施設に適用しているが、未だハブ(hub)やスイッチなどに依存する技術から脱することができていない。そこで、ハブやスイッチへの依存を減らす方式として、イーサネット2ポートを提供してリングトポロジーイーサネットネットワークを構築する方式が提案されている。
産業施設のリングトポロジーイーサネットネットワーク上で通信パケットを伝送すると、そのパケットは、指定したアドレスの通信ノードで消費される(取り込まれる)。通信ノードで消費された通信パケットは、それ以降、リングトポロジーイーサネットネットワーク上に存在することはない。
しかし、ブロードキャストパケット(broadcast packet)のように特定の宛先アドレスをもたない通信パケットや、リングトポロジーイーサネットネットワーク上に存在しないアドレスを宛先とした通信パケットがあると、当通信パケットはリングトポロジーネットワーク上で際限なく回り続ける。このような通信パケットが無限ループを回っていると、リングトポロジーイーサネットネットワークの性能が急速に低下して通信が輻輳してしまうことになる。工場や発電所のような産業施設でこのような通信の輻輳が発生すると、物的にも人的にも影響が大きい。
これに鑑みて本発明は、リングトポロジーイーサネットネットワークにおいて、上記のような無限ループの発生を防止してネットワークの性能を維持し得る、パケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置及び通信パケット処理方法を提供する。特に、2イーサネットポートを提供してイーサネットポート間通信パケットの転送機能を実行する通信モジュールを使用して、リングトポロジーネットワークを構成したときに、該ネットワーク内に無い宛先のアドレスを有する通信パケットや、該ネットワーク上にない通信ノードのアドレスを有する通信パケットが、無限ループを回ることでネットワーク性能を低下させる現象を防止し、通信ノードに不要な負荷をかけないようにすることによって、ネットワークの性能を向上させ得るリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置及び通信パケット処理方法を提案する。
本発明によるパケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置は、イーサネットネットワークの通信ノードに設置され、イーサネットネットワークの通信媒体を介して通信パケットを送受信するイーサネット送受信装置と、前記通信ノードに設置され、前記通信パケットを生成又は消費する中央処理装置と、前記通信ノードにおいて前記イーサネット送受信装置と前記中央処理装置との間に介在し、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットの宛先媒体アクセス制御器アドレスと自身の媒体アクセス制御器アドレスとの比較によって、前記中央処理装置へ当該通信パケットを伝達するか否かを決定し、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットのソース媒体アクセス制御器アドレスと前記自身の媒体アクセス制御器アドレスとの比較によって、当該通信パケットを消滅させるか又は他の前記通信ノードへ伝送するかを決定する媒体アクセス制御器と、を含んで構成されることを特徴とする。
また、本発明によるパケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理方法は、イーサネットネットワークの通信媒体を介して通信パケットを送受信するイーサネット送受信装置と、前記通信パケットを生成又は消費する中央処理装置と、前記イーサネット送受信装置と前記中央処理装置との間に介在して前記通信媒体のアクセスを制御する媒体アクセス制御器と、を含んで構成された通信ノードを利用する通信パケット処理方法であって、前記媒体アクセス制御器で、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットの宛先媒体アクセス制御器アドレスと自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較する第1比較段階と、該第1比較段階の結果、前記両アドレスが一致していれば、当該通信パケットを前記中央処理装置へ伝達する消費段階と、前記第1比較段階の結果、前記両アドレスが異なっていれば、当該通信パケットのソース媒体アクセス制御器アドレスと前記自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較する第2比較段階と、該第2比較段階の結果、前記両アドレスが一致していれば、当該通信パケットを消滅させる消滅段階と、前記第2比較段階の結果、前記両アドレスが異なっていれば、当該通信パケットを他の前記通信ノードへ伝送する転送段階と、を含むことを特徴とする。
さらに、本発明によるパケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理方法は、イーサネットネットワークの通信媒体を介して通信パケットを送受信するイーサネット送受信装置と、前記通信パケットを生成又は消費する中央処理装置と、前記イーサネット送受信装置と前記中央処理装置との間に介在して前記通信媒体のアクセスを制御する媒体アクセス制御器と、を含んで構成された通信ノードを利用する通信パケット処理方法であって、前記媒体アクセス制御器で、自身の前記通信ノードがマネジャーノードに設定されているか否かを判断する判断段階と、該判断段階で前記マネジャーノードに設定されている場合に、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットの宛先媒体アクセス制御器アドレスと自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較する第1比較段階と、該第1比較段階の結果、前記両アドレスが一致していれば、当該通信パケットを前記中央処理装置へ伝達する伝達段階と、前記第1比較段階の結果、前記両アドレスが異なっていれば、当該通信パケットを消滅させる消滅段階と、前記判断段階で前記マネジャーノードに設定されていない場合に、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットの宛先媒体アクセス制御器アドレスと前記自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較する第2比較段階と、該第2比較段階の結果、前記両アドレスが一致していれば、当該通信パケットを前記中央処理装置へ伝達する伝達段階と、前記第2比較段階の結果、前記両アドレスが異なっていれば、当該通信パケットを他の前記通信ノードへ伝送する転送段階と、を含むことを特徴とする。
本発明によるリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置及び通信パケット処理方法は、通信パケットの生成元が自分である通信パケット、特定の宛先アドレスをもたない通信パケット、ネットワーク上にない宛先のアドレスを有する通信パケット、そして、エラーの発生したフレームを有する通信パケットなどが、無限ループを回り続けることによって生じるネットワーク性能の急低下を防止し得る、という効果がある。すなわち、本発明によるリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置及び通信パケット処理方法は、無限ループパケットを削減することにより通信ノードに不要な負荷をかけずにすむ。
そしてさらに、1通信ノードにおいて、それぞれ通信ポートを備えた2つのイーサネット送受信装置を含むことにより、通信パケットの通信方向を転換可能とすることができ、双方向に通信パケットを伝送することによるデータ伝送成功率向上をなし得るという効果がある。
以下、添付図面を参照して本発明による通信パケット処理装置及び通信パケット処理方法について説明する。
まず、制御システム内に付設された本発明による通信パケット処理装置、及び通信媒体ケーブルで接続されたリングトポロジーイーサネットネットワークの一構成例を、ネットワーク構成図として示す図1を参照して説明する。
図1に示すように、パケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置(単に通信パケット処理装置という)10は、所定の外形のモジュール構成で、複数の制御システム(例えば、PLC:Programmable Logic Controller)内に付属設置される。この図1の通信パケット処理装置10は、それぞれが1つの通信ノードを構成し、多数の制御システムにモジュールとして付設される。
各通信パケット処理装置10は、外へ露呈する前面に図中上下2つのイーサネット通信ポート(port)(符号なし)を有し、各イーサネット通信ポートにはそれぞれ、送受信用の通信媒体ケーブル(MEDIA CABLE)が接続される。分散制御システムを構成する多数の制御システムは、それぞれが通信パケット処理装置10のモジュールを含み、各通信パケット処理装置10がそれぞれ2線の通信媒体ケーブルによりイーサネット通信ポートを介し互いに接続されることによって、全二重方式(total dual type)のリングトポロジーイーサネットネットワークが構成されている。
このようなリングトポロジーイーサネットネットワークにおいて、本発明によるパケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置10の詳細構成について図2を参照して説明する。
本発明による通信パケット処理装置10は、イーサネットネットワークのうちの一つの通信ノードとして設置され、イーサネットネットワークの通信媒体を介して通信パケットを送信又は受信するイーサネット送受信装置3を含む。当該イーサネット送受信装置3は、ファスト・イーサネット(fast ethernet)方式である。
そして、この通信パケット処理装置10は、当該通信ノードに設置されて通信パケットを生成し又は処理する(消費する)中央処理装置(Central Processing Unit:CPU)1を含む。さらに、該通信ノードにおける中央処理装置1とファスト・イーサネット送受信装置3との間には、媒体アクセス制御器(Media Access Controller:MAC)2が接続されている。
媒体アクセス制御器2は、ファスト・イーサネット送受信装置3により受信された通信パケットがもつ宛先の媒体アクセス制御器アドレス(Media Access Controller address)と自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較し、中央処理装置1へ当該通信パケットを伝達するか否かを決定する。また、媒体アクセス制御器2は、ファスト・イーサネット送受信装置3により受信された通信パケットのソース(送信元)媒体アクセス制御器アドレスと自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較し、当該通信パケットを消滅させる(破棄する)のか、あるいは、他の通信ノードへ当該通信パケットを伝送するのか、を決定する。
ファスト・イーサネット送受信装置3は、他の表現で通信媒体接続器(Media Interface)とも称することができ、本実施形態の場合は2つ備えられている。それぞれのファスト・イーサネット送受信装置3が、送受信対の通信媒体ケーブル(例えば光ケーブル)と接続し得るポート(ポート0、ポート1)を有する。
中央処理装置1は、他の通信ノードから受信された通信パケットを処理する(消費する)か、あるいは、他の通信ノードへ送信する通信パケットを生成する。
媒体アクセス制御器(MAC)2は、送信の場合は中央処理装置1からの通信パケットをファスト・イーサネット送受信装置3に伝達する。一方、受信の場合は、予め保存されているプログラムと予め設定されて保存されている自身の媒体アクセス制御器アドレスとに基づいて、次のように動作する。
受信された通信パケットがもつ宛先媒体アクセス制御器アドレス、すなわち、通信パケットを受信すべき通信ノードのアドレスと、予め設定されて保存されている自身の媒体アクセス制御器アドレスと、を比較する。該比較の結果、両アドレスが一致すると、当該通信パケットは、自身を宛先の通信ノードに指定して送信元の通信ノードから送信されたということであるから、当受信通信パケットを中央処理装置1へ伝達する。
一方、比較の結果、両アドレスが異なっている場合の媒体アクセス制御器2は、受信通信パケットのソース媒体アクセス制御器アドレス、すなわち、当該通信パケットを生成して送信した通信ノードのアドレス(ソースアドレス)を、予め設定されて保存されている自身の媒体アクセス制御器アドレス(当該通信パケットを受信した通信ノードの媒体アクセス制御器アドレス)と比較する。そして、ソースアドレスと自身の媒体アクセス制御器アドレスとが一致している場合は、当受信通信パケットは、自分が送信した通信パケットであってネットワークを回って返ってきたものということになるため、当該通信パケットを消滅させる。
一方、ソースアドレスと自身の媒体アクセス制御器アドレスとが異なる場合は、当受信通信パケットは、他の通信ノードで生成されて送信されたものであって且つ自身とは別の通信ノードを宛先の通信ノードに指定しているということになる。そこで媒体アクセス制御器2は、ファスト・イーサネット送受信装置3において、当該通信パケットを他方のポート、すなわち、受信したポートとは異なるポートを通じて他の通信ノードへ送信させる。
通信パケット処理装置10は、媒体アクセス制御器2と中央処理装置1とが同時に同じファスト・イーサネット送受信装置3へ通信パケットを送るといった衝突を防止するために、通信パケットを一時的に記憶するためのメモリ4をさらに含むことができる。このメモリ4はキュー(Queue)とも呼ばれる。
本発明による通信パケット処理装置及び通信パケット処理方法に適用可能な通信パケットのフレーム構成を、通信パケット構成図として示す図3を参照して説明する。
図3において、Destination MAC Addressは宛先の媒体アクセス制御器アドレス、換言すると宛先通信ノードアドレスで、Source MAC Addressはソース媒体アクセス制御器アドレス、すなわち通信パケットを生成して送信した送信元の通信ノードアドレスである。また、Typeはパケットのタイプを示し、FCS(Frame Check Sequence)はパケットのエラー(損傷)発生を判断し得る情報を含んだフィールドである。このような通信パケットがもつFCSの情報に基づいて、媒体アクセス制御器2は、予め保存されているプログラムに従って当通信パケットのエラーを決定し得るので、各通信ノードにおいて、パケットエラーが判断されれば、その通信パケットを消滅させることができる。
図4〜図6を参照して、本発明による通信パケット処理方法について説明する。本発明による通信パケット処理方法は大きく2種類にわけられ、その一つが、全ての通信ノードに通信パケットを消滅し得る権限を付与する方法である。もう一つは、特定の通信ノードをマネジャー(manager)通信ノード、すなわち管理者通信ノードに設定し、このマネジャー通信ノードにのみ、無限ループの通信パケットを消滅し得る権限を付与し、その他の一般通信ノード(ordinary communication node)は、通信パケットの宛先アドレスと自身のアドレスとが異なれば他の通信ノードへ当通信パケットを伝送するのみとする方法である。
前者の通信パケット処理方法について図4を参照し説明する。
段階(S1)で通信パケットが受信されると、段階(S2)に進行して、媒体アクセス制御器2は、通信パケットのフレームのうちの宛先媒体アクセス制御器アドレスと受信通信機器である自身の通信ノードの媒体アクセス制御器アドレスとを比較する。この段階(S2)における比較の結果、両アドレスが一致している場合、当該通信パケットは、自身を宛先に指定して送信元の通信ノードから送り出されたものであるから、段階(S3)に進行して、当通信パケットを中央処理装置1へ伝達する。
段階(S2)における比較の結果、2つのアドレスが異なっている場合は、段階(S4)に進行して媒体アクセス制御器2は、受信通信パケットのソース媒体アクセス制御器アドレスと受信通信機器である自身の通信ノードの媒体アクセス制御器アドレスとを比較する。この段階(S4)における比較の結果、両アドレスが一致する場合、自身の送信した通信パケットがループを回って自身に再び戻ってきたことになるから、段階(S5)に進行して、当該通信パケットを消滅させる。
段階(S4)における比較の結果、両アドレスが異なっていれば、段階(S6)に進行して、受信したポートと異なるポートを介して他の通信ノードへ、受信通信パケットを伝送する。
後者の通信パケット処理方法について図5及び図6を参照し説明する。図5は、マネジャーノードに設定された通信ノードの通信パケット処理方法を示すフローチャートで、図6は、一般通信ノードの通信パケット処理方法を示すフローチャートである。
まず、マネジャーノードに設定された通信ノードの媒体アクセス制御器2は、自身がマネジャーノードに設定されているという情報を、図示していない、例えばROM(Read Only Memory)などの記憶手段から、本発明による通信処理のプログラムと共に読み出して、受信通信パケットに対し、図5に示すフローの処理を実行することができる。
マネジャーノードに設定された通信ノードの媒体アクセス制御器2は、段階(S10)で通信パケットが受信されると、段階(S11)に進行して、受信通信パケットのフレームにある宛先媒体アクセス制御器アドレスと受信通信機器である自身の通信ノードの媒体アクセス制御器アドレスとを比較する。この段階(S11)における比較の結果、両アドレスが一致する場合、当該通信パケットは、自身を宛先に指定して送信元の通信ノードから送り出されたことになるから、媒体アクセス制御器2は、段階(S12)に進行して当通信パケットを中央処理装置1へ伝達する。
段階(S11)における比較の結果、2つのアドレスが異なれば、媒体アクセス制御器2は、段階(S13)に進行して当通信パケットを消滅させる。
一方、一般通信ノードの媒体アクセス制御器2は、自身がマネジャーノードに設定されていないという情報を、図示していない、例えばROMなどの記憶手段から、本発明による通信処理のプログラムと共に読み出して、受信通信パケットに対し、図6に示すフローの処理を実行することができる。
マネジャーノードに設定されなかった一般通信ノードの媒体アクセス制御器2は、段階(S20)で通信パケットが受信されると、段階(S21)に進行して、受信通信パケットのフレームにある宛先媒体アクセス制御器アドレスと受信通信機器である自身の通信ノードの媒体アクセス制御器アドレスとを比較する。この段階(S21)における比較の結果、両アドレスが一致する場合、当該通信パケットは、自身を指定して送信元の通信ノードから送り出されたことになるから、段階(S22)に進行して当通信パケットを中央処理装置1へ伝達する。
段階(S21)における比較の結果、2つのアドレスが異なれば、媒体アクセス制御器2は、段階(S23)に進行して、当通信パケットを他方のポートへ伝達して他の通信ノードへ送信する。
受信したポートではない他方のポートを介して受信通信パケットを送出する理由は、リング構造の通信ネットワークを活用して、時計方向から反時計方向へ、あるいはその逆に通信パケットの通信方向を転換して伝送することにより、データの伝送成功率をより向上させるためである。
制御システム内に付設された本発明による通信パケット処理装置、及び通信媒体ケーブルで接続されたリングトポロジーイーサネットネットワークの構成例を示すネットワーク構成図。 本発明による通信パケット処理装置の構成例を示すブロック図。 本発明に適用可能な通信パケットのフレーム構成を示す通信パケット構成図。 本発明による通信パケット処理方法を示すフローチャート。 本発明による通信パケット処理方法で、マネジャーノードに設定された通信ノードの制御を示すフローチャート。 本発明による通信パケット処理方法で、一般通信ノードの制御を示すフローチャート。
符号の説明
1 中央処理装置
2 媒体アクセス制御器
3 ファスト・イーサネット送受信装置

Claims (6)

  1. イーサネット(登録商標:以下同じ)ネットワークの通信ノードに設置され、イーサネットネットワークの通信媒体を介して通信パケットを送受信するイーサネット送受信装置と、
    前記通信ノードに設置され、前記通信パケットを生成又は消費する中央処理装置と、
    前記通信ノードにおいて前記イーサネット送受信装置と前記中央処理装置との間に介在し、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットの宛先媒体アクセス制御器アドレスと自身の媒体アクセス制御器アドレスとの比較によって、前記中央処理装置へ当該通信パケットを伝達するか否かを決定し、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットのソース媒体アクセス制御器アドレスと前記自身の媒体アクセス制御器アドレスとの比較によって、当該通信パケットを消滅させるか又は他の前記通信ノードへ伝送するかを決定する媒体アクセス制御器と、
    を含んで構成されることを特徴とするパケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理装置。
  2. 前記中央処理装置と前記媒体アクセス制御器とが同時に同じ前記イーサネット送受信装置へ前記通信パケットを送る場合に該通信パケットを一時記憶するメモリをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の通信パケット処理装置。
  3. 前記媒体アクセス制御器は、前記通信パケットのフレームにあるパケットエラーに関する情報をもつフィールドに基づいて当該通信パケットを消滅させるか否か決定するプログラムを実行可能であることを特徴とする請求項1に記載の通信パケット処理装置。
  4. それぞれ通信ポートを備えた2つの前記イーサネット送受信装置を含むことにより、前記通信パケットの通信方向を転換可能になっていることを特徴とする請求項1に記載の通信パケット処理装置。
  5. イーサネットネットワークの通信媒体を介して通信パケットを送受信するイーサネット送受信装置と、
    前記通信パケットを生成又は消費する中央処理装置と、
    前記イーサネット送受信装置と前記中央処理装置との間に介在して前記通信媒体のアクセスを制御する媒体アクセス制御器と、
    を含んで構成された通信ノードを利用する、パケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理方法において、
    前記媒体アクセス制御器で、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットの宛先媒体アクセス制御器アドレスと自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較する第1比較段階と、
    該第1比較段階の結果、前記両アドレスが一致していれば、当該通信パケットを前記中央処理装置へ伝達する消費段階と、
    前記第1比較段階の結果、前記両アドレスが異なっていれば、当該通信パケットのソース媒体アクセス制御器アドレスと前記自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較する第2比較段階と、
    該第2比較段階の結果、前記両アドレスが一致していれば、当該通信パケットを消滅させる消滅段階と、
    前記第2比較段階の結果、前記両アドレスが異なっていれば、当該通信パケットを他の前記通信ノードへ伝送する転送段階と、
    を含むことを特徴とする通信パケット処理方法。
  6. イーサネットネットワークの通信媒体を介して通信パケットを送受信するイーサネット送受信装置と、
    前記通信パケットを生成又は消費する中央処理装置と、
    前記イーサネット送受信装置と前記中央処理装置との間に介在して前記通信媒体のアクセスを制御する媒体アクセス制御器と、
    を含んで構成された通信ノードを利用する、パケット無限ループを防止可能なリングトポロジーイーサネットネットワークの通信パケット処理方法において、
    前記媒体アクセス制御器で、自身の前記通信ノードがマネジャーノードに設定されているか否かを判断する判断段階と、
    該判断段階で前記マネジャーノードに設定されている場合に、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットの宛先媒体アクセス制御器アドレスと自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較する第1比較段階と、
    該第1比較段階の結果、前記両アドレスが一致していれば、当該通信パケットを前記中央処理装置へ伝達する伝達段階と、
    前記第1比較段階の結果、前記両アドレスが異なっていれば、当該通信パケットを消滅させる消滅段階と、
    前記判断段階で前記マネジャーノードに設定されていない場合に、前記イーサネット送受信装置により受信された通信パケットの宛先媒体アクセス制御器アドレスと前記自身の媒体アクセス制御器アドレスとを比較する第2比較段階と、
    該第2比較段階の結果、前記両アドレスが一致していれば、当該通信パケットを前記中央処理装置へ伝達する伝達段階と、
    前記第2比較段階の結果、前記両アドレスが異なっていれば、当該通信パケットを他の前記通信ノードへ伝送する転送段階と、
    を含むことを特徴とする通信パケット処理方法。
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